樊亚妮;刘克荣
【摘 要】利用运动控制器作为上位控制单元,采用交流伺服驱动器和伺服电机作为执行机构,采用光栅尺作为直线位移检测装置,设计出一种新型的全闭环运动控制系统,实现对伺服电机高速、高精度的控制.介绍了控制系统的组成及硬件原理,给出了控制系统软件设计的结构.这种系统既具有实时性和快速性,又方便实用. 【期刊名称】数字像素《现代电子技术》
【年(卷),期】2006(029)023
【总页数】3页(P140-142)
【关键词】交流伺服系统;运动控制器;全闭环控制;上位控制技术
【作 者】樊亚妮;刘克荣
【作者单位】广东教育学院,广东,广州,510303;普宁职业技术学校,广东,普宁,515344
【正文语种】中 文
【中图分类】TP202
1 引 言
运动控制系统是以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子、功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电气传动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的控制要求。运动控制系统的发展得益于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成果。正是这些技术的进步使运动控制技术在近20年内发生了前所未有的变化。运动控制技术的快速发展同时促进了机电一体化技术的迅速发展，进而促使机械工业开始了一场技术革命。
近年来国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。运动控制系统的发展也经历了从直流到交流，从开环到闭环，从模拟到数字，直到基于PC的伺服控制网络(PC-Based SSCNET)系统和基于网络的运动控制的发展过程。本文将现代运动控制系统中具有代表性
的技术：交流伺服驱动技术和运动控制器技术相结合，研究一种高速度、高精度、集控制与管理于一体的柔性、开放性运动控制系统。
2 交流伺服系统构成的全闭环控制
在一些定位精度或动态响应比较高的机电一体化产品中，交流伺服控制系统得到了广泛的应用，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试、使用十分方便，因而倍受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器(Digitial Signal Processor，DSP)，可以对电动机轴后端的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益，因而位置控制分辨率较高，可靠性较好。
通常这种带位置环的伺服系统，位置环的反馈采样取自伺服电机的编码器，即伺服电机上的编码器既作速度环，也作位置环，对于传动链上的间隙及误差还不能补偿克服，只能形成半闭环的位置控制系统。为了克服半闭环系统的缺陷，获得更高的控制精度，可以在最终的运动部分上安装高精度的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺等)，而电机上的编码器此
fpc补强机保健椅时仅作为速度环的反馈，构成全闭环控制系统。此时，伺服驱动器接受速度指令，完成速度环的控制，位置环的控制则由上位控制器来完成，这样就可以消除机械上存在的一切间隙，并且还可以对机械传动上出现的误差进行补偿，达到真正全闭环的目的，实现高精度的位置控制。
该系统采用安川SGDM系列的伺服驱动装置，他具有快速傅里叶变换(FFT)的功能，可以测算出设备的机械共振点，并通过陷波方式消除机械共振。
3 上位控制技术
运动控制系统的上位控制方案一般有单片机系统、专业运动控制PLC、专用控制系统和“PC + 运动控制器”。
采用单片机系统来实现运动控制,速度较慢，精度不高，开发难度较大、周期长，成本相对较低。这种方案一般适用于产品批量较大、控制系统功能较简单、有单片机系统开发经验的用户。
许多品牌的PLC都可选配定位控制模块,有些PLC的CPU单元本身就具有运动控制功能(如
无线收发器
松下FP0) 。这种方案一般适用于运动过程比较简单、运动轨迹固定的设备,如送料器、自动焊机等。
专用控制系统一般是针对专用设备或专用行业,比如西门子的车床数控系统、铣床数控系统等。
“PC + 运动控制器”的方案随着PC( Personal Computer) 的普及越来越多,将是运动控制系统一个主要的发展趋势。这种方案可充分利用计算机资源,用于运动过程、机械轨迹都比较复杂,而且柔性比较强的机器设备。
本文介绍的全闭环控制系统的上位控制方式，采用“PC + 运动控制器”方案。运动控制器与PC机构成主从式控制结构，以DSP和FPGA芯片作为运动控制器的核心处理器，以PC机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入PC机，即“PC +运动控制器”的模式。PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作 ( 例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等)；运动控制器完成运动控制的所有细节(包括脉冲和方向信号的输出、模拟输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等)。这样将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的
运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。运动控制器结构组成如图1所示。cwmp
图1 运动控制器结构框图车载影院
该系统中的运动控制器采用深圳固高公司的GT200-SV-PCI运动卡，他是以ADSP2181数字信号处理器为核心，结合FPGA现场逻辑可编程器件的灵活性完成运动控制的硬件架构。运动控制过程中，由DSP实现运动规划、多轴插补、伺服控制滤波等数据运算和实时控制管理，可以实现高性能的控制计算。FPGA逻辑可编程器件和其他相关器件组成伺服控制和位置反馈硬件接口，实现译码、倍频、脉冲分配、定时、计数等功能。
该运动控制器以IBM-PC 及其兼容机为主机，采用标准的PCI总线，提供C语言函数库和Windows 动态链接库，实现复杂的控制功能。用户可以将这些控制函数与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等应用程序模块集成在一起，开发符合特定应用要求的控制软件。
4 基于运动控制器的全闭环控制系统
基于运动控制器的全闭环控制系统，如图2所示。
图2 基于运动控制器的全闭环控制系统
该系统采用光栅尺作为直线位移检测装置，直接获取工作台的位移信息，此信息经过前置处理后得到相位差为90°的两路位移脉冲信号，其频率与工作台位移速度成正比，其数量为工作台实际位移量除以脉冲当量。
运动卡接收到PC机的指令后，向交流伺服驱动器发出控制脉冲信号，经驱动器放大后驱动电机，使电机按照相应的频率和角位移运行。光电编码器返回的脉冲信号进入交流伺服驱动器构成速度环，光栅尺反馈的两路位移脉冲信号进入运动控制器构成位置环。
位移脉冲被送入运动控制器中的可逆计数器进行计数，该计数器中的计数值即表示了工作台的当前实际位置。运动控制器的作用是，根据位置给定值与位置反馈值之差，按预先设计的控制规律控制整个系统的运行，以保证工作台位移严格跟随指令值的变化。
5 控制系统软件的开发
GT200-SV随卡提供了Windows 98/2000下的设备驱动程序，同时提供DOS下的运动函数库和Windows下的运动函数动态链接库，用户通过主机程序调用相应的函数，也就是发出运动控制命令，运动控制器将根据主机的要求，自动完成轨迹规划、安全检测、伺服刷新等复杂运算，计算结果转换成相应的模拟电压控制伺服电机运动。用户可以使用VC,VB,Delphi三种高级语言来开发。软件程序框图如图3所示。
